一种零电压转换PWM开关变换器的改进研究

1、    一种零电压转换PWM开关变换器的改进研究        曾庆虹, 甘伟明, 晋建秀 时间:2008年04月22日     字 体: 大 中 小        关键词:        摘要：关键词： 变换器 零电压转换 软开关技术随着人们对软开关变换理论的深入研究，直流变换

2、器在高性能、高效率、高可靠性等方面已经取得了很大进展，但仍存在各种各样的缺陷。近年来出现的零转换变换器(包括零电压转换、零电流转换)综合了软开关变换以及PWM技术的优点，被称为目前最具发展和应用前景的变换器1,代表了软开关变换技术的最新发展方向2但仍有不足之处：辅助开关是硬关断，损耗很大，因此有必要进行改进研究，以寻求改善辅助开关管关断条件的方法。本文就一种零电压转换(ZVT)Boost变换器的改进电路进行理论分析及实验。1 ZVT-PWM变换器改进电路的工作原理基本的ZVT-PWM Boost变换器主电路拓扑如图1(a)所示；改进的ZVT-PWM Boots变换器主电路拓扑如图1(b)所示，

3、它在图1(a)的基础上增加了一个由辅助电容Ca和辅助二极管Da构成的缓冲单元。改进的ZVT-PWM Boost变换器的主要波形如图2所示，与基本的ZVT-PWM Boost变换器相比，工作模式基本相同，不同之处有两点，如图中的阴影部分所示。下面结合图1(b)和图2分析ZVT-PWM Boost变换器的工作模式。在一个开关周期内，变换器共有八种开关模态。为便于分析，假设升压电感Lf和滤波电容Ca足够大，在一个开关周期内，Lf电流基本保持不变，设为Ii；Co电压基本保持不变，设为Vo。各模态的分析如下：模态1(t0t1)：在t0时刻之前，主开关管S和辅助开关管S1均处于关断状态，升压二极管D10时

4、刻，开通S1，此时辅助电感电流iLr从0开始线性上升，而D1中的电流开始线性下降，在t1时刻，上升到升压电感电流Ii。D1的电流减小到0，D1自然关断。模态2(t0t1)：在此模态中，Lr开始与电容谐振，继续上升，而Cr的电压开始下降。当Cr的电压下降到0时，S的反并二极管Ds导通，将S的电压箝在零位。模态3(t2t3)：在此模态中，Ds导通，Lr电流通过Ds续流，此时开通S就是零电压开通。可见，S开通时刻应该滞后于S1的开通时刻。模态4(t3ta)：在t3时刻关断S1，给Ca充电，由于有Ca，S1为零电流关断。在ta时刻，(ta)=Vo，D2导通，将箝在Vo。而对于基本的ZVT-PWM Bo

5、ost电路，在t3时刻关断 S1，由于S1在关断时其电流不为零，而且当它关断时，D2 导通，S1上的电压立即上升到Vo，因此为硬关断。模态5(tat4)：在此模态中，加在Lr上的电压为-Vo，线性下降。在t4时刻，下降到0。模态6(t4t5)：在此模态中，S导通，D15t6)：在t5时刻，S关断，升压电感电流给Cr充电，同时Ca放电，由于有Cr和Ca，S是零电压关断。在t6时刻，vCr上升到Vo，下降到0，D1自然导通，D2自然关断。模态8(t6t7)：该模态与不加辅助电路的Boost电路一样，Lf和Vin给滤波电容和负载供电。在t7时刻，S1开通，开始另一个开关周期。综上所述，通过加入辅助元

6、件Ca和Da，可使ZVT-PWM Boost变换器辅助开关为硬关断的缺点得到解决。2 辅助电路元件选择(1) Ca的选择Ca作为缓冲电容，在选择Ca时，应考虑主开关S的关断情况，这是因为其额定电流要比辅助开关S1大。为了减小S的关断损耗，应使Ca放电时速度不要太快，一般情况下，在最大负载时，从Vo下降到0的时间为(23)tf (tf为S的关断时间)。Ca可由下式来选择：(2) Lr的选择辅助电路只是在主开关管开关时起作用，其工作时间一般可选择为开关周期TS的1/10，即t01t12<TS 10,亦即：3 仿真与实验结果根据以上原理设计的试验电路参数为： Lf=300H，Lr=12H，Ca

7、=1nF，开关频率fS为100kHz，占空比D取0.5。主开关S选用IRF250，辅助开关S1选用IRFP460，D1、D2选用MBR3045PT，Da选用MUR1250。采用miCrosim pspice 8.0软件进行电路仿真，得到如图3所示的有关仿真波形。图3(a)的上、下方波形分别为主开关和辅助开关的驱动信号波形。可以清楚地看到，在主开关将要开通时先开通辅助开关，使电容Cr与电感Lr产生谐振，通过谐振，将Cr(与主开关相并联)上的电荷释放到零，从而为主开关的零电压开通创造了条件。而在主开关开通后，辅助电路立即停止工作，从而减小了辅助电路的损耗。图3(b)上、下方波形分别为辅助开关的栅源

8、电压和漏源电压的波形，可见辅助开关为软开关。?图4是实验所得的主开关电压电流波形，上方为栅源电压波形，下方为漏极电流波形。从图可见，当栅源电压为零时，其漏极电流基本上下降至零，说明主开关是以软开关方式工作的。图5是实验所得的辅助开关的电压和电流波形，上方为漏源电压波形，下方为漏极电流波形。从图可见，当漏极电流下降至零时，其漏源电压逐渐上升到最大值，说明了辅助开关是在零电流的状态下关断的。通过对一种零电压转换PWM变换器进行改进研究，理论分析和实验结果说明：在ZVT-PWM变换器原电路上加入简单的缓冲单元，能有效地改善辅助开关的关断特性，实现零电流关断。经改进后的变换器，所有开关管都在零电压或零电流条件下开通或关断，而主开关未增加任何电压或电流应力。而且，电路结构简单，易于控制。这一改进措施也可应用于ZVT-PWM变换器族的其他电路中，从而可构成新的一类ZVT-PWM变换器3。参考文献 1 孙慧贤，王群，杨卫新.改进型ZVT-PWM Buck变换器的仿真分析J.电气开关，2004,(6)：33-36.2 ?霍丽华，杨建忠. 升压式软开关变换器仿真研究J. 中国民航学院学报,2003，(7)：40-41.3 ?阮新波，严仰光直流开关电源的软开关技术M北京：科学出版社，2000.4 ?HUA G, LEU C S, JIANG Y M, et al. Lo